JP2007165047A - Proton conductive solid polymer electrolyte and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton conductive solid polymer electrolyte showing high proton conductivity even in a non-humidified/high temperature condition and having high mechanical strength, and to provide a fuel cell. <P>SOLUTION: The proton conductive solid polymer electrolyte is formed by mixing at least acid and a matrix polymer impregnated with acid, and the matrix polymer has basic polymer structure in a molecule. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、プロトン伝導性固体高分子電解質及び燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a proton conductive solid polymer electrolyte and a fuel cell.

燃料電池を普及させるためには製造コストの低減が重要な課題であり、また同時に高性能・高信頼性が求められている。そこで、従来のナフィオン(登録商標)を初めとするパーフルオロ系電解質膜の代替品として、炭化水素系高分子電解質の研究が盛んに行なわれている。
また燃料電池を市場に提供するにあたって、長寿命化の観点からも多くの改良が成されており、触媒の一酸化炭素被毒の問題を解決するにあたり、作動温度を100℃〜150℃といった中温域に設定した中温域型高分子固体燃料電池の研究も盛んに行なわれている。この場合、蒸気圧の問題から、プロトン伝導の媒体として水を用いることが難しく、特許文献1(特表平11−503262号公報)に見られるように、リン酸を媒体およびキャリアとする検討が行なわれている。また、100℃以上で燃料ガスおよび空気の供給下、安定に高分子電解質を維持しなければいけないという観点から、これらの高分子は一般的に耐熱性および化学的安定性が求められる。
In order to popularize fuel cells, reduction of manufacturing cost is an important issue, and at the same time, high performance and high reliability are required. Therefore, research on hydrocarbon polymer electrolytes has been actively conducted as an alternative to perfluoro-based electrolyte membranes such as conventional Nafion (registered trademark).
Further, many improvements have been made from the viewpoint of extending the life of fuel cells in the market, and in order to solve the problem of carbon monoxide poisoning of the catalyst, the operation temperature is set to a medium temperature such as 100 ° C to 150 ° C. Research on medium temperature polymer solid fuel cells set in the region is also actively conducted. In this case, it is difficult to use water as a proton-conducting medium due to the problem of vapor pressure. As seen in Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 11-503262), studies using phosphoric acid as a medium and carrier have been made. It is done. In addition, these polymers are generally required to have heat resistance and chemical stability from the viewpoint that the polymer electrolyte must be stably maintained under supply of fuel gas and air at 100 ° C. or higher.

しかし、パーフルオロ系電解質膜では100℃以上300℃以下の作動温度下、相対湿度50%以下では十分なプロトン伝導性および出力を得る事が出来ない欠点があった。
また、特許文献1には、リン酸などの強酸をドープさせたポリベンズイミダゾールからなる固体電解質膜が開示されているが、燃料電池動作のために十分なプロトン伝導度を得るためには、ポリベンズイミダゾール質量に対して4〜5倍程度のリン酸を含有させなければならない。このようなリン酸含有量の大きな膜は、機械的強度が低く、また燃料電池に組み込んだ場合にガスのクロスオーバーを発生させる可能性がある。その一方で、膜の機械的強度を高めるためにリン酸のドープ率を低くすると、プロトン伝導性が低下するという問題がある。
特表平11−503262号公報
However, the perfluoro-based electrolyte membrane has a drawback that sufficient proton conductivity and output cannot be obtained at an operating temperature of 100 ° C. to 300 ° C. and a relative humidity of 50% or less.
Further, Patent Document 1 discloses a solid electrolyte membrane made of polybenzimidazole doped with a strong acid such as phosphoric acid. In order to obtain a sufficient proton conductivity for fuel cell operation, a polyelectrolyte membrane is used. About 4 to 5 times as much phosphoric acid as the mass of benzimidazole must be contained. Such a membrane having a high phosphoric acid content has low mechanical strength and may cause gas crossover when incorporated in a fuel cell. On the other hand, if the doping rate of phosphoric acid is lowered to increase the mechanical strength of the membrane, there is a problem that proton conductivity is lowered.
Japanese National Patent Publication No. 11-503262

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、無加湿・高温の条件においても高いプロトン伝導性を示し、かつ機械的強度に優れたプロトン伝導性固体高分子電解質および燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a proton conductive solid polymer electrolyte and a fuel cell exhibiting high proton conductivity even under non-humidified and high temperature conditions and excellent in mechanical strength. The purpose is to do.

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明のプロトン伝導性固体高分子電解質は、酸と、該酸を含浸するマトリックスポリマーとが少なくとも混合されてなり、前記マトリックスポリマーは、分子中に塩基性分子構造を具備していることを特徴する。
また、本発明のプロトン伝導性固体高分子電解質においては、前記塩基性分子構造がピリジレン基であることが好ましい。
更に、本発明のプロトン伝導性固体高分子電解質においては、前記マトリックスポリマーが、分子中にウレア結合を含む下記一般式(1)に示す分子構造を少なくとも1モル%以上100モル%以下の範囲で具備していることが好ましい。ただし、一般式(1)において、Rは−C−CH−C−基または−C−O−C−基であり(−C−はフェニレン基)、Rはピリジレン基である。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following configuration.
The proton conductive solid polymer electrolyte of the present invention is characterized in that an acid and a matrix polymer impregnated with the acid are mixed at least, and the matrix polymer has a basic molecular structure in the molecule. To do.
In the proton conductive solid polymer electrolyte of the present invention, the basic molecular structure is preferably a pyridylene group.
Furthermore, in the proton conductive solid polymer electrolyte of the present invention, the matrix polymer has a molecular structure represented by the following general formula (1) containing a urea bond in the molecule within a range of at least 1 mol% to 100 mol%. It is preferable to have. However, in the general formula (1), R 1 represents a —C 6 H 4 —CH 2 —C 6 H 4 — group or a —C 6 H 4 —O—C 6 H 4 — group (—C 6 H 4 -Is a phenylene group) and R 2 is a pyridylene group.

Figure 2007165047
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また、本発明のプロトン伝導性固体高分子電解質においては、前記マトリックスポリマーが、分子中にパラバン酸構造を含む下記一般式(2)に示す分子構造を少なくとも1モル%以上100モル%以下の範囲で具備していることが好ましい。ただし、一般式(2)において、Rは−C−CH−C−基または−C−O−C−基であり(−C−はフェニレン基)、Rはピリジレン基である。 In the proton conductive solid polymer electrolyte of the present invention, the matrix polymer has a molecular structure represented by the following general formula (2) containing a paravanic acid structure in the molecule in a range of at least 1 mol% to 100 mol%. It is preferable to comprise. However, in the general formula (2), R 3 is -C 6 H 4 -CH 2 -C 6 H 4 - group or a -C 6 H 4 -O-C 6 H 4 - is a radical (-C 6 H 4 -Is a phenylene group) and R 4 is a pyridylene group.

Figure 2007165047
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また、本発明のプロトン伝導性固体高分子電解質においては、前記パラバン酸構造が、前記一般式(1)におけるウレア結合を転化させることにより形成されたものであることが好ましい。
また、本発明のプロトン伝導性固体高分子電解質においては、前記マトリックスポリマーが架橋されていてもよい。
また、本発明のプロトン伝導性固体高分子電解質においては、前記マトリックスポリマーに、ポリパラバン酸樹脂が含まれていても良い。ポリパラバン酸樹脂の構造式は、例えば、下記一般式(3)乃至(8)に示す通りである。
また、本発明のプロトン伝導性固体高分子電解質においては、前記酸がリン酸あるいはホスホン酸またはこれらの混合物であることが好ましい。
In the proton conductive solid polymer electrolyte of the present invention, the paravanic acid structure is preferably formed by converting a urea bond in the general formula (1).
In the proton conductive solid polymer electrolyte of the present invention, the matrix polymer may be cross-linked.
In the proton conducting solid polymer electrolyte of the present invention, the matrix polymer may contain a polyparabanic acid resin. The structural formula of the polyparabanic acid resin is, for example, as shown in the following general formulas (3) to (8).
In the proton conductive solid polymer electrolyte of the present invention, the acid is preferably phosphoric acid, phosphonic acid, or a mixture thereof.

Figure 2007165047
Figure 2007165047
Figure 2007165047
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次に本発明の燃料電池は、酸素極、燃料極および両電極に挟持されたプロトン伝導性固体高分子電解質膜を備え、酸化剤流路を形成した酸化剤配流板を酸素極側に設け、燃料流路を形成した燃料配流板を燃料極側に設けたものを単位セルとする燃料電池において、前記高分子電解質膜が先のいずれかに記載のプロトン伝導性固体高分子電解質であることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池においては、前記酸素極または前記燃料極のいずれか一方または両方に、先のいずれかに記載のプロトン伝導性固体高分子電解質が含まれていてもよい。
Next, the fuel cell of the present invention includes an oxygen electrode, a fuel electrode, and a proton conductive solid polymer electrolyte membrane sandwiched between both electrodes, and an oxidant distribution plate in which an oxidant channel is formed is provided on the oxygen electrode side, In a fuel cell in which a fuel flow plate having a fuel flow path provided on the fuel electrode side is used as a unit cell, the polymer electrolyte membrane is the proton conductive solid polymer electrolyte as described above Features.
In the fuel cell of the present invention, either one or both of the oxygen electrode and the fuel electrode may contain the proton conductive solid polymer electrolyte described in any of the above.

本発明のプロトン伝導性固体高分子電解質によれば、マトリックスポリマーの分子中に塩基性分子構造が備えられており、この塩基性分子構造の部分と酸との相互作用によって、酸がマトリックスポリマー中に安定して保持される。これにより、プロトン伝導性固体高分子電解質のプロトン伝導度を高めることができる。
また、本発明によれば、作動温度が100℃以上200℃以下で無加湿、あるいは相対湿度50%以下であっても、少量の酸がドープされてなるプロトン伝導性固体高分子電解質を用いることによって、良好な発電性能を長期間安定的に示す固体高分子型の燃料電池を得ることが出来る。
According to the proton conducting solid polymer electrolyte of the present invention, a basic molecular structure is provided in the matrix polymer molecule, and the acid is contained in the matrix polymer by the interaction between the basic molecular structure portion and the acid. Is held stably. Thereby, the proton conductivity of the proton conductive solid polymer electrolyte can be increased.
Further, according to the present invention, a proton conductive solid polymer electrolyte doped with a small amount of acid is used even when the operating temperature is 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower and no humidification or relative humidity is 50% or lower. Thus, it is possible to obtain a solid polymer fuel cell that stably exhibits good power generation performance for a long period of time.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
「プロトン伝導性固体高分子電解質」
本実施形態のプロトン伝導性固体高分子電解質(以下、高分子電解質という)は、酸と、この酸を含浸するマトリックスポリマーとが少なくとも混合されてなり、マトリックスポリマーの分子中に塩基性分子構造が備えられてなるものである。マトリックスポリマーとしては、分子中に塩基性分子構造を有するとともにウレア結合を備えた芳香族ポリウレア樹脂を用いることができる。また、芳香族ポリウレア樹脂中のウレア結合の一部をポリパラバン酸構造に転化させたウレア含有ポリパラバン酸樹脂を用いても良い。以下、本実施形態の高分子電解質を構成する芳香族ポリウレア樹脂、ウレア含有ポリパラバン酸樹脂及び酸について、順次説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
"Proton-conducting solid polymer electrolyte"
The proton conductive solid polymer electrolyte of the present embodiment (hereinafter referred to as polymer electrolyte) is formed by mixing at least an acid and a matrix polymer impregnated with the acid, and a basic molecular structure is present in the matrix polymer molecule. It is provided. As the matrix polymer, an aromatic polyurea resin having a basic molecular structure in the molecule and having a urea bond can be used. Further, a urea-containing polyparabanic acid resin obtained by converting a part of the urea bond in the aromatic polyurea resin into a polyparabanic acid structure may be used. Hereinafter, the aromatic polyurea resin, the urea-containing polyparabanic acid resin, and the acid constituting the polymer electrolyte of the present embodiment will be sequentially described.

[芳香族ポリウレア樹脂]
芳香族ポリウレア樹脂は、分子中に塩基性分子構造を備えた芳香族ポリウレア樹脂である。塩基性分子構造としては、ピリジレン基を例示することができ、ピリジレン基の他にもキノリレン、キノキサリレン、アクリジレン等を例示することができる。
この芳香族ポリウレア樹脂の具体的な分子構造は、先の一般式(1)に示した通りである。一般式(1)において、Rを−C−CH−C−基または−C−O−C−基であり(−C−はフェニレン基)とすることで、高分子電解質の耐熱性の向上を図ることができる。また、Rをピリジレン基とすることで、芳香族ポリウエア樹脂に酸を安定して保持することができる。また、一般式(1)に示す分子構造を少なくとも1モル%以上備えることで、酸を安定して保持することができるまた、一般式(1)に示す分子構造を100モル%以下備えることで、溶媒に対する溶解性が低下することがなく、所謂キャスト法による成形性が向上し、高分子電解質を所望の形状にすることが容易になる。
[Aromatic polyurea resin]
The aromatic polyurea resin is an aromatic polyurea resin having a basic molecular structure in the molecule. As the basic molecular structure, a pyridylene group can be exemplified, and besides the pyridylene group, quinolylene, quinoxalylene, acridylene and the like can be exemplified.
The specific molecular structure of this aromatic polyurea resin is as shown in the general formula (1). In the general formula (1), R 1 is a —C 6 H 4 —CH 2 —C 6 H 4 — group or a —C 6 H 4 —O—C 6 H 4 — group (—C 6 H 4 — represents By using a phenylene group, the heat resistance of the polymer electrolyte can be improved. Further, by making the R 2 and pyridylene group, it is possible to stably hold the acid aromatic Poriuea resin. Moreover, an acid can be stably hold | maintained by providing at least 1 mol% or more of the molecular structure shown in General formula (1). Moreover, by providing 100 mol% or less of the molecular structure shown in General formula (1). Further, the solubility in a solvent does not decrease, the moldability by the so-called casting method is improved, and the polymer electrolyte can be easily formed into a desired shape.

芳香族ポリウレア樹脂は、上記一般式(1)に示す分子構造を備えていれば良く、この分子構造に他の分子構造が結合していても良い。他の分子構造としては、ポリパラバン酸構造にジフェニルメチレン基が結合したもの、またはポリパラバン酸構造にジフェニルエーテル基が結合したもの等を例示できる。このような他の分子構造を備えた芳香族ポリウレア樹脂としては例えば、下記一般式(9)または一般式(10)に示すものを例示できる。一般式(9)に示す芳香族ポリウレア樹脂は、4,4’−メチレンジフェニル−ジイソシアネートと、4,4’−ジアミノジフェニルメタン及び2,5−ジアミノピリジンを原料として製造されたものである。また、一般式(10)に示す芳香族ポリウレア樹脂は、4,4’−メチレンジフェニル−ジイソシアネート及び4,4’−ジフェニルエーテル−ジイソシアネートと、2,5−ジアミノピリジンを原料として製造されたものである。
これらの他の分子構造が結合することによって、高分子電解質の耐熱性を更に向上することができる。
The aromatic polyurea resin only needs to have the molecular structure represented by the general formula (1), and other molecular structures may be bonded to the molecular structure. Examples of other molecular structures include those in which a diphenylmethylene group is bonded to a polyparabanic acid structure, and those in which a diphenyl ether group is bonded to a polyparabanic acid structure. Examples of the aromatic polyurea resin having such other molecular structure include those represented by the following general formula (9) or general formula (10). The aromatic polyurea resin represented by the general formula (9) is produced using 4,4′-methylenediphenyl-diisocyanate, 4,4′-diaminodiphenylmethane and 2,5-diaminopyridine as raw materials. The aromatic polyurea resin represented by the general formula (10) is produced using 4,4′-methylenediphenyl-diisocyanate and 4,4′-diphenylether-diisocyanate and 2,5-diaminopyridine as raw materials. .
By combining these other molecular structures, the heat resistance of the polymer electrolyte can be further improved.

Figure 2007165047
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[ウレア含有ポリパラバン酸樹脂]
また、上記の芳香族ポリウレア樹脂に含まれるウレア結合を転化することによって分子内にポリパラバン酸構造を導入することができる。このパラバン酸構造が導入されたウレア含有ポリパラバン酸樹脂は、先の一般式(2)に示す分子構造を有する。このウレア含有ポリパラバン酸樹脂には、未転化のウレア結合が残存している。すなわち、転化率は100%未満である。尚、一般式(2)におけるR、Rは一般式(1)の場合と同様である。このウレア含有ポリパラバン酸樹脂には、芳香族ポリウレア樹脂中に含まれる塩基性分子構造がそのまま含有される。
[Urea-containing polyparabanic acid resin]
Further, a polyparabanic acid structure can be introduced into the molecule by converting the urea bond contained in the aromatic polyurea resin. The urea-containing polyparabanic acid resin into which the paravanic acid structure is introduced has a molecular structure represented by the general formula (2). Unconverted urea bonds remain in this urea-containing polyparabanic acid resin. That is, the conversion rate is less than 100%. In the general formula (2), R 3 and R 4 are the same as those in the general formula (1). The urea-containing polyparabanic acid resin contains the basic molecular structure contained in the aromatic polyurea resin as it is.

また、ウレア含有ポリパラバン酸樹脂は、上記一般式(2)に示す分子構造を備えていれば良く、この分子構造に他の分子構造が結合していても良い。他の分子構造としては、芳香族ポリウレア樹脂と同様に、ポリパラバン酸構造にジフェニルメチレン基が結合したもの、またはポリパラバン酸構造にジフェニルエーテル基が結合したもの等を例示できる。このような他の分子構造を備えたウレア含有ポリパラバン酸樹脂としては下記一般式(11)または一般式(12)に示すものを例示できる。一般式(11)に示すウレア含有ポリパラバン酸樹脂は、上記一般式(9)に示す芳香族ポリウレア樹脂を転化させて得られたものである。また、一般式(12)に示すウレア含有ポリパラバン酸樹脂は、上記一般式(10)に示す芳香族ポリウレア樹脂を転化させて得られたものである。これらの他の分子構造が結合することによって、高分子電解質の耐熱性を更に向上することができる。   The urea-containing polyparabanic acid resin may have a molecular structure represented by the general formula (2), and other molecular structures may be bonded to the molecular structure. Examples of other molecular structures include those in which a diphenylmethylene group is bonded to a polyparabanic acid structure, or those in which a diphenylether group is bonded to a polyparabanic acid structure, as in the case of an aromatic polyurea resin. Examples of the urea-containing polyparabanic acid resin having such other molecular structure include those represented by the following general formula (11) or general formula (12). The urea-containing polyparabanic acid resin represented by the general formula (11) is obtained by converting the aromatic polyurea resin represented by the general formula (9). The urea-containing polyparabanic acid resin represented by the general formula (12) is obtained by converting the aromatic polyurea resin represented by the general formula (10). By combining these other molecular structures, the heat resistance of the polymer electrolyte can be further improved.

Figure 2007165047
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[酸]
本実施形態における酸とは、リン酸、ホスホン酸、硫酸、トリフルオロ酢酸、トリフルオロメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホイミド酸、リンタングステン酸等を示すが、耐熱性、腐食性、揮発性、導電性の観点から、リン酸およびホスホン酸またはこれらの混合物が好ましい。これらの酸はいずれも、マトリックスポリマー中の塩基性分子構造またはポリパラバン酸構造と相互作用してマトリックスポリマーに含浸(ドープ)されてプロトン伝導度を発現させる。マトリックスポリマーに対する酸のドープ率は、酸の種類にもよるが、5モル%以上800モル%以下の範囲が好ましく、150モル%以上5001モル%以下の範囲がより好ましい。ドープ率が低すぎるとプロトン伝導度が低下してしまうので好ましくなく、またドープ率が高すぎると高分子電解質の機械的強度が低下するので好ましくない。
[acid]
The acid in the present embodiment refers to phosphoric acid, phosphonic acid, sulfuric acid, trifluoroacetic acid, trifluoromethanesulfonic acid, trifluoromethanesulfimidic acid, phosphotungstic acid, etc., but heat resistance, corrosiveness, volatility, conductivity From this viewpoint, phosphoric acid and phosphonic acid or a mixture thereof is preferable. Any of these acids interacts with the basic molecular structure or polyparabanic acid structure in the matrix polymer and is impregnated (doped) into the matrix polymer to develop proton conductivity. The acid doping ratio with respect to the matrix polymer is preferably in the range of 5 mol% to 800 mol%, more preferably in the range of 150 mol% to 5001 mol%, although it depends on the type of acid. If the doping rate is too low, the proton conductivity is lowered, which is not preferable, and if the doping rate is too high, the mechanical strength of the polymer electrolyte is reduced, which is not preferable.

[架橋構造]
また、本実施形態の高分子電解質においては、低分子架橋剤による架橋構造がマトリックスポリマーに形成されていても良い。低分子架橋剤としては、二酸無水物、ジエポキシ化合物、ジイソシアネートから選ばれる化合物が好ましい。これら低分子架橋剤によって、マトリックスポリマー中のウレア結合部分同士が架橋された架橋構造が形成され、高分子電解質の機械的強度が更に向上する。架橋反応は主に、マトリックスポリマー中のNH基に対して起こり、隣接する分子鎖のNH基同士が架橋されてマトリックスポリマー全体の分子構造が安定化される。
[Crosslinked structure]
Moreover, in the polymer electrolyte of this embodiment, the crosslinked structure by the low molecular crosslinking agent may be formed in the matrix polymer. As the low molecular crosslinking agent, a compound selected from a diacid anhydride, a diepoxy compound, and a diisocyanate is preferable. By these low molecular crosslinking agents, a crosslinked structure in which the urea bond portions in the matrix polymer are crosslinked is formed, and the mechanical strength of the polymer electrolyte is further improved. The cross-linking reaction mainly occurs with respect to NH groups in the matrix polymer, and NH groups in adjacent molecular chains are cross-linked to stabilize the molecular structure of the entire matrix polymer.

二酸無水物としては、二無水ピロメリット酸、シクロブテンニカルボン酸無水物、あるいはこれらの誘導体などが挙げられる。
また、ジエポキシ化合物としては、エチレングリコールジグリシジルエーテル,2,2’−ビス(4−グリシジルオキシフェニル)−プロパンなどが挙げられる。
更に、ジイソシアネートとしては、ジフェニルメタンジイソシアネート(以下、MDIと略す)、4,4’−ジフェニルエーテルジイソシアネート(ODI)、トリレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、ヘキサフルオロビフェニルジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、リジンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、シクロヘキサンジイソシアネートなどが挙げられる。更にはこれらの誘導体も使用できる。
Examples of the dianhydride include dianhydride pyromellitic acid, cyclobutene dicarboxylic acid anhydride, and derivatives thereof.
Examples of the diepoxy compound include ethylene glycol diglycidyl ether and 2,2′-bis (4-glycidyloxyphenyl) -propane.
Further, as the diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate (hereinafter abbreviated as MDI), 4,4′-diphenyl ether diisocyanate (ODI), tolylene diisocyanate, xylylene diisocyanate, naphthalene diisocyanate, hexafluorobiphenyl diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, lysine diisocyanate, Examples include isophorone diisocyanate and cyclohexane diisocyanate. Furthermore, these derivatives can also be used.

また、これらの低分子架橋剤とマトリックスポリマー混合比(低分子架橋剤/マトリックスポリマー)は1/5(mol/mol)〜1/3(mol/mol)の割合で混合されるのが好ましい。低分子架橋剤がこれより多くなるとゲル化が進行して高分子電解質を膜状に成形することが困難になる。   Moreover, it is preferable that these low molecular crosslinking agents and a matrix polymer mixing ratio (low molecular crosslinking agent / matrix polymer) are mixed in a ratio of 1/5 (mol / mol) to 1/3 (mol / mol). When the amount of the low molecular crosslinking agent is larger than this, gelation proceeds and it becomes difficult to form the polymer electrolyte into a film.

[ポリマーアロイ]
また本実施形態の高分子電解質においては、マトリックスポリマーに、ポリパラバン酸樹脂が含有されていてもよい。具体的には、芳香族ポリウレア樹脂またはウレア含有ポリパラバン酸樹脂と、ポリパラバン酸樹脂とによってポリマーアロイが形成され、このポリマーアロイに酸が含浸されて高分子電解質が形成されていればよい。ポリパラバン酸樹脂としては、先の一般式(3)乃至(8)に示す構造のものを例示できる。
ポリマーアロイ中におけるポリパラバン酸樹脂の含有率は、98質量%以下の範囲が好ましく、20質量%以上90質量%以下の範囲がより好ましい。含有率が20質量%未満になると、高分子電解質のプロトン伝導度が低下してしまうので好ましくない。
[Polymer alloy]
In the polymer electrolyte of the present embodiment, the matrix polymer may contain a polyparabanic acid resin. Specifically, it is only necessary that a polymer alloy is formed by an aromatic polyurea resin or a urea-containing polyparabanic acid resin and a polyparabanic acid resin, and the polymer alloy is impregnated with an acid to form a polymer electrolyte. Examples of the polyparabanic acid resin include those having the structures shown in the general formulas (3) to (8).
The content of the polyparabanic acid resin in the polymer alloy is preferably 98% by mass or less, and more preferably 20% by mass or more and 90% by mass or less. When the content is less than 20% by mass, the proton conductivity of the polymer electrolyte is lowered, which is not preferable.

本実施形態の高分子電解質によれば、マトリックスポリマーの分子中に塩基性分子構造が備えられており、この塩基性分子構造の部分と酸との相互作用によって、酸がマトリックスポリマー中に安定して保持される。これにより、プロトン伝導性固体高分子電解質のプロトン伝導度を高めることができる。特に、塩基性分子構造がピリジレン基であるので、酸をマトリックスポリマー中により安定した形で保持できる。   According to the polyelectrolyte of this embodiment, a basic molecular structure is provided in the molecule of the matrix polymer, and the acid is stabilized in the matrix polymer by the interaction between the basic molecular structure portion and the acid. Held. Thereby, the proton conductivity of the proton conductive solid polymer electrolyte can be increased. In particular, since the basic molecular structure is a pyridylene group, the acid can be held in a more stable form in the matrix polymer.

また、本実施形態の高分子電解質において、パラバン酸構造が含まれるもの(ウレア含有ポリパラバン酸樹脂)については、ポリパラバン酸構造における窒素原子によってポリパラバン酸構造自体が弱い塩基性を示す。このため、酸との相互作用が従来のポリベンズイミダゾールの場合より弱くなっており、マトリックスポリマー中でリン酸が拘束されず比較的自由に動ける。これにより、本実施形態の高分子電解質は、少量の酸でも高いプロトン伝導度を示すことができる。また酸の含有量を低くできるので、高分子電解質の機械的強度を向上することができる。また、ウレア含有ポリパラバン酸樹脂は芳香族ポリウレア樹脂と同様に分子中に塩基性分子構造が備えられているので、酸がマトリックスポリマー中に安定して保持される。よって、ウレア含有ポリパラバン酸樹脂を備えた高分子電解質は、ポリパラバン酸構造を備えているために優れた耐熱性及び酸の保持能力を有し、かつ、塩基性分子構造を備えているためにより優れた酸の保持能力を有する。これにより、プロトン伝導性固体高分子電解質の耐熱性及びプロトン伝導度を高めることができる。   In the polymer electrolyte of the present embodiment, those having a paravanic acid structure (urea-containing polyparabanic acid resin) show weak basicity due to the nitrogen atom in the polyparabanic acid structure. For this reason, the interaction with the acid is weaker than in the case of the conventional polybenzimidazole, and the phosphoric acid is not restrained in the matrix polymer and can move relatively freely. Thereby, the polymer electrolyte of this embodiment can show high proton conductivity even with a small amount of acid. Moreover, since the acid content can be lowered, the mechanical strength of the polymer electrolyte can be improved. In addition, since the urea-containing polyparabanic acid resin has a basic molecular structure in the molecule like the aromatic polyurea resin, the acid is stably held in the matrix polymer. Therefore, the polymer electrolyte provided with the urea-containing polyparabanic acid resin has excellent heat resistance and acid retention ability because it has a polyparabanic acid structure, and more excellent because it has a basic molecular structure. Has the ability to retain acid. Thereby, the heat resistance and proton conductivity of the proton conductive solid polymer electrolyte can be increased.

更に、マトリクスポリマーが架橋されているので、高分子電解質の機械的強度を高めることができる。
更にまた、マトリックスポリマーにポリパラバン酸樹脂等が含有されてポリマーアロイを形成することで、マトリックスポリマーの機械的強度をより高めることができる。また、ポリパラバン酸は上述のように、比較的弱い塩基性を有しているので、ポリパラバン酸樹脂等が含有された場合でも酸の含浸率が低下することがなく、高いプロトン伝導度を維持できる。
Furthermore, since the matrix polymer is cross-linked, the mechanical strength of the polymer electrolyte can be increased.
Furthermore, the mechanical strength of the matrix polymer can be further increased by forming a polymer alloy by containing a polyparabanic acid resin or the like in the matrix polymer. In addition, since polyparabanic acid has a relatively weak basicity as described above, even when a polyparabanic acid resin or the like is contained, the acid impregnation rate does not decrease and high proton conductivity can be maintained. .

「プロトン伝導性固体高分子電解質の製造方法」
高分子電解質の製造方法は、マトリックスポリマーを合成する工程と、合成されたマトリックスポリマーを例えば膜状に成形するとともにマトリックスポリマーに酸を含浸させる工程とからなる。
マトリックスポリマーの合成方法は、例えば、文献(E.Scortanu,LNicolaescu,G.Caraculacu,LDiaconu,andA.Caraculacu,Eur.Polym,J.34(1998)1265−1272)にあるように、ジアミンとジイソシアネートの反応から芳香族ポリウレア樹脂を得る方法によって合成される。芳香族ポリウレア樹脂の合成スキームを下記の式(13)に示す。なお、式(13)において、Rは−C−CH−C−基または−C−O−C−基であり(−C−はフェニレン基)、Rはピリジレン基であり、繰り返し単位数を示すnは10以上100000以下の自然数である。
"Production Method of Proton Conducting Solid Polymer Electrolyte"
The method for producing a polyelectrolyte includes a step of synthesizing a matrix polymer, and a step of forming the synthesized matrix polymer into a film shape and impregnating the matrix polymer with an acid.
The method for synthesizing the matrix polymer is described in, for example, literature (E. Scortanu, LNicolaescu, G. Caraculacu, Ldiaconu, and A. Caraculacu, Eur. Polym, J. 34 (1998) 1265-1272). It is synthesized by a method of obtaining an aromatic polyurea resin from the reaction. A synthesis scheme of the aromatic polyurea resin is shown in the following formula (13). In Formula (13), R 1 represents a —C 6 H 4 —CH 2 —C 6 H 4 — group or a —C 6 H 4 —O—C 6 H 4 — group (—C 6 H 4 — Is a phenylene group), R 2 is a pyridylene group, and n 1 representing the number of repeating units is a natural number of 10 to 100,000.

Figure 2007165047
Figure 2007165047

式(13)に示すように、ジアミンとしてジアミノピリジンを用いることにより、芳香族ポリウレア樹脂中にピリジレン基を導入することが可能になる。また、ジアミノピリジンと同時にジアミノジフェニルメタンを用いても良い。この場合、式(10)におけるRはピリジレン基及びビスフェニルメチル基になる。
また、ジイソシアネートとして、メチレンジフェニルジイソシアネート、ジフェニルエーテルイソシアネートのいずれか一方または両方を用いることにより、芳香族ポリウレア樹脂中に芳香族環を導入することが可能になる。
As shown in Formula (13), by using diaminopyridine as the diamine, it is possible to introduce a pyridylene group into the aromatic polyurea resin. Further, diaminodiphenylmethane may be used simultaneously with diaminopyridine. In this case, R 2 in the formula (10) becomes a pyridylene group and a bisphenylmethyl group.
In addition, by using one or both of methylene diphenyl diisocyanate and diphenyl ether isocyanate as the diisocyanate, an aromatic ring can be introduced into the aromatic polyurea resin.

更に、芳香族ポリウレア樹脂を転化してポリウレア含有ポリパラバン酸樹脂を合成するには、上記文献にあるように、芳香族ポリウレア樹脂とオキサリルジクロライド(ClOCCOCl)とを反応させることによって、芳香族ポリウレア樹脂中のウレア結合部分をポリパラバン酸構造に転化させる。ウレア含有ポリパラバン酸樹脂の合成スキームを下記の式(14)に示す。式(14)において、R及びRは−C−CH−C−基または−C−O−C−基であり(−C−はフェニレン基)、R及びRはピリジレン基である。
この式(14)に示すように、塩基性分子構造を有する芳香族ポリウレア樹脂と、ウレア含有ポリパラバン酸樹脂とは、中間体と完成体の関係にある。
Furthermore, in order to synthesize an aromatic polyurea resin to synthesize a polyurea-containing polyparabanic acid resin, the aromatic polyurea resin is reacted with an oxalyl dichloride (ClOCCOCl) as described in the above document. Is converted to a polyparabanic acid structure. A synthesis scheme of the urea-containing polyparabanic acid resin is shown in the following formula (14). In the formula (14), R 1 and R 3 are —C 6 H 4 —CH 2 —C 6 H 4 — group or —C 6 H 4 —O—C 6 H 4 — group (—C 6 H 4 -Is a phenylene group), R 2 and R 4 are pyridylene groups.
As shown in the formula (14), the aromatic polyurea resin having a basic molecular structure and the urea-containing polyparabanic acid resin are in a relationship between an intermediate and a finished product.

Figure 2007165047
Figure 2007165047

次に、合成されたマトリックスポリマーを溶媒に溶解し、ガラス基板等の基板上に溶液を塗布し、その後、加熱して溶媒を除去することにより、マトリックスポリマーからなる高分子膜を形成する。マトリックスポリマーを溶かす溶媒としては、例えばNメチル−2−ピロリドン(NMP)を例示できる。マトリックスポリマーが芳香族ポリウレア樹脂の場合に、加熱して溶媒を除去する際には芳香族ポリウレア樹脂が加熱酸化されて変性されやすいので、加熱温度及び加熱雰囲気を調整することが望ましい。   Next, the synthesized matrix polymer is dissolved in a solvent, a solution is applied onto a substrate such as a glass substrate, and then the solvent is removed by heating to form a polymer film made of the matrix polymer. Examples of the solvent for dissolving the matrix polymer include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). In the case where the matrix polymer is an aromatic polyurea resin, when the solvent is removed by heating, the aromatic polyurea resin is easily oxidized by heat and denatured. Therefore, it is desirable to adjust the heating temperature and the heating atmosphere.

次に、マトリックスポリマーからなる高分子膜を酸の水溶液に浸すことでマトリックスポリマーに酸を含浸させる。このようにして膜状の高分子電解質が得られる。   Next, the matrix polymer is impregnated with an acid by immersing the polymer film made of the matrix polymer in an aqueous acid solution. In this way, a membrane-like polymer electrolyte is obtained.

また、マトリックスポリマーを溶媒に溶解してガラス基板上に塗布する際に、マトリックスポリマーとともに溶媒に酸を予め混合し、この混合溶液をガラス基板上に塗布してもよい。塗布後は上記と同様にして、加熱して溶媒を除去する。このようにして高分子電解質が得られる。この手法によれば、マトリックスポリマーからなる高分子膜を成膜すると同時に酸を含浸させることができ、製造工程を簡略化することができる。   Further, when the matrix polymer is dissolved in a solvent and applied on the glass substrate, an acid may be mixed in advance with the matrix polymer and the mixed solution may be applied on the glass substrate. After coating, the solvent is removed by heating in the same manner as described above. In this way, a polymer electrolyte is obtained. According to this method, a polymer film made of a matrix polymer can be formed and simultaneously impregnated with an acid, and the manufacturing process can be simplified.

塩基性分子構造を有しないポリパラバン酸樹脂は酸に対する膨潤性が低く、プロトン伝導が不十分である。これを解決するためには主鎖中に塩基性分子構造を導入する必要があるが、ピリジレン基等の複素環を有するイソシアネートの合成は極めて難しく、文献(T.C.Patton,Polym.Preprints,12(1971)162−168)などに見られるシアン化水素を用いた合成方法が不可能であった。
本発明においては、文献(E.Scortanu,LNicolaescu,G.Caraculacu,LDiaconu,andA.Caraculacu,Eur.Polym,J.34(1998)1265−1272)にみられるジアミンとジイソシアネートの反応から、複素環を分子内に有する芳香族ポリウレアを合成し、これをパラバン酸に転化することによって、前駆体を経由しないで主鎖に塩基性分子構造を有するポリパラバン酸樹脂を提供することができる。また、前駆体である複素環を分子内に有する芳香族ポリウレア樹脂においても、プロトン伝導性を有し、燃料電池へ応用可能である。
また、本発明によれば、反応段階が一段少ないことから、本発明の高分子電解質は安価に市場に提供できる材料である。
A polyparabanic acid resin having no basic molecular structure has low acid swellability and insufficient proton conduction. In order to solve this problem, it is necessary to introduce a basic molecular structure into the main chain. However, it is extremely difficult to synthesize isocyanates having a heterocyclic ring such as a pyridylene group, and the literature (TCPatton, Polym. Preprints, 12 (1971) 162-168) and the like, and the synthesis method using hydrogen cyanide was impossible.
In the present invention, a heterocyclic ring is obtained from the reaction of a diamine and a diisocyanate found in the literature (E. Scortanu, LNicolaescu, G. Caraculacu, Ldiaconu, and A. Caraculacu, Eur. Polym, J. 34 (1998) 1265-1272). By synthesizing an aromatic polyurea in the molecule and converting it to parabanic acid, a polyparabanic acid resin having a basic molecular structure in the main chain can be provided without going through a precursor. An aromatic polyurea resin having a heterocyclic ring as a precursor in the molecule also has proton conductivity and can be applied to a fuel cell.
Further, according to the present invention, since the number of reaction steps is one step lower, the polymer electrolyte of the present invention is a material that can be provided to the market at a low cost.

「燃料電池」
図1には、本実施形態の燃料電池を構成する単セルの模式図を示す。図1に示す単セル1は、酸素極2と、燃料極3と、酸素極2および燃料極3の間に挟持された本実施形態の高分子電解質4(以下、電解質膜4と表記する場合がある)と、酸素極2の外側に配置された酸化剤流路5aを有する酸化剤配流板5と、燃料極3の外側に配置された燃料流路6aを有する燃料配流板6とから構成され、作動温度100℃〜200℃、湿度が無加湿若しくは相対湿度50%以下の条件で作動するものである。
"Fuel cell"
In FIG. 1, the schematic diagram of the single cell which comprises the fuel cell of this embodiment is shown. A single cell 1 shown in FIG. 1 includes an oxygen electrode 2, a fuel electrode 3, and a polymer electrolyte 4 of the present embodiment sandwiched between the oxygen electrode 2 and the fuel electrode 3 (hereinafter referred to as an electrolyte membrane 4). And an oxidant distribution plate 5 having an oxidant flow path 5 a disposed outside the oxygen electrode 2, and a fuel distribution plate 6 having a fuel flow path 6 a disposed outside the fuel electrode 3. The operation temperature is 100 ° C. to 200 ° C. and the humidity is not humidified or the relative humidity is 50% or less.

燃料極3及び酸素極2はそれぞれ、多孔質性の触媒層2a、3aと、各触媒層2a、3aを保持する多孔質カーボンシート(カーボン多孔質体)2b、3bから概略構成されている。触媒層2a、3aには、電極触媒(触媒)と、この電極触媒を固化成形するための疎水性結着剤と、導電材とが含まれている。   The fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 are each generally composed of porous catalyst layers 2a and 3a and porous carbon sheets (carbon porous bodies) 2b and 3b that hold the catalyst layers 2a and 3a. The catalyst layers 2a and 3a contain an electrode catalyst (catalyst), a hydrophobic binder for solidifying and molding the electrode catalyst, and a conductive material.

触媒は、水素の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であれば、特に限定されないが、例えば鉛、鉄、マンガン、コバルト、クロム、ガリウム、バナジウム、タングステン、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、白金、ロジウムまたはそれらの合金を挙げることができる。こうした金属または合金を活性炭に担持させることによって電極触媒を構成することができる。   The catalyst is not particularly limited as long as it is a metal that promotes the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen. For example, lead, iron, manganese, cobalt, chromium, gallium, vanadium, tungsten, ruthenium, iridium, palladium, platinum, There may be mentioned rhodium or an alloy thereof. An electrode catalyst can be constituted by supporting such a metal or alloy on activated carbon.

また、疎水性結着剤には例えば、フッ素樹脂を用いることができる。フッ素樹脂の中でも融点が400℃以下のものが好ましく、そのようなフッ素樹脂としてポリ四フッ化エチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロエチレン共重合体、パーフルオロエチレン等といった疎水性および耐熱性に優れた樹脂を用いることができる。疎水性結着剤を添加することにより、発電反応に伴って生成した水によって触媒層2a、3aが過剰に濡れるのを防止することができ、燃料極3及び酸素極2内部における燃料ガス及び酸素の拡散阻害を防止することができる。   For example, a fluororesin can be used as the hydrophobic binder. Among the fluororesins, those having a melting point of 400 ° C. or less are preferable. Examples of such fluororesins include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene / hexafluoroethylene copolymer. A resin excellent in hydrophobicity and heat resistance such as a polymer and perfluoroethylene can be used. By adding the hydrophobic binder, it is possible to prevent the catalyst layers 2a and 3a from being wetted excessively by the water generated in response to the power generation reaction, and the fuel gas and oxygen in the fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 can be prevented. Can be prevented.

更に、導電材としては、電気伝導性物質であればどのようなものでもよく、各種金属や炭素材料などが挙げられる。たとえばアセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭および黒鉛等が挙げられ、これらは単独あるいは混合して使用される。   Further, the conductive material may be any material as long as it is an electrically conductive material, and examples thereof include various metals and carbon materials. Examples thereof include carbon black such as acetylene black, activated carbon and graphite, and these are used alone or in combination.

また触媒層2a、3aには、疎水性結着剤に代えて、または疎水性結着剤とともに、本発明に係る高分子電解質を含有させても良い。本発明に係る高分子電解質を添加することによって、燃料極3及び酸素極2におけるプロトン伝導度を向上することができ、燃料極3及び酸素極2の内部抵抗を低減することができる。   The catalyst layers 2a and 3a may contain the polymer electrolyte according to the present invention instead of the hydrophobic binder or together with the hydrophobic binder. By adding the polymer electrolyte according to the present invention, the proton conductivity in the fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 can be improved, and the internal resistance of the fuel electrode 3 and the oxygen electrode 2 can be reduced.

酸化剤配流板5および燃料配流板6は導電性を有する金属等から構成されており、酸素極2および燃料極3にそれぞれ接合することで、集電体として機能するとともに、酸素極2および燃料極3に対して、酸素および燃料ガスを供給する。すなわち、燃料極3には、燃料配流板6の燃料流路6aを介して水素を主成分とする燃料ガスが供給され、また酸素極2には、酸化剤配流板5の酸化剤流路5aを介して酸化剤としての酸素が供給される。
なお、燃料として供給される水素は、炭化水素若しくはアルコールの改質により発生された水素が供給されるものでも良く、また、酸化剤として供給される酸素は、空気に含まれる状態で供給されても良い。
The oxidant distribution plate 5 and the fuel distribution plate 6 are made of conductive metal or the like, and function as a current collector by being joined to the oxygen electrode 2 and the fuel electrode 3 respectively. Oxygen and fuel gas are supplied to the pole 3. That is, the fuel electrode mainly containing hydrogen is supplied to the fuel electrode 3 through the fuel flow path 6 a of the fuel flow distribution plate 6, and the oxidant flow path 5 a of the oxidant flow distribution plate 5 is supplied to the oxygen electrode 2. Through this, oxygen as an oxidizing agent is supplied.
The hydrogen supplied as fuel may be supplied by hydrogen generated by reforming hydrocarbon or alcohol, and oxygen supplied as oxidant is supplied in a state of being contained in air. Also good.

この単セル1においては、燃料極3側で水素が酸化されてプロトンが生じ、このプロトンが電解質膜4を伝導して酸素極2に到達し、酸素極2においてプロトンと酸素が電気化学的に反応して水を生成するとともに、電気エネルギーを発生させる。   In this single cell 1, hydrogen is oxidized on the fuel electrode 3 side to generate protons, which are conducted through the electrolyte membrane 4 to reach the oxygen electrode 2, and protons and oxygen are electrochemically connected to the oxygen electrode 2. It reacts to produce water and generates electrical energy.

上記の燃料電池によれば、作動温度が100℃以上200℃以下で、無加湿あるいは相対湿度50%以下であっても良好な発電性能を長期間安定的に示す燃料電池を得ることができ、自動車用、家庭発電用または携帯機器用として好適に用いることができる。   According to the above fuel cell, it is possible to obtain a fuel cell that stably exhibits good power generation performance for a long period of time even when the operating temperature is 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower and no humidification or relative humidity is 50% or less, It can be suitably used for automobiles, home power generation or portable devices.

(実施例1)
常温にて20mmol(ミリモル)の4,4’−メチレンジフェニル−ジイソシアネートを70mLのNメチル−2−ピロリドン(NMP)に溶解した(溶液A)。そしてこの溶液Aを、10mmolの4,4’−ジアミノジフェニルメタンと10mmolの2,5−ジアミノピリジンとが70mLのNメチル−2−ピロリドン(NMP)に溶解されてなる溶液Bに滴下し、常温で4時間攪拌後、さらに80℃にて18時間反応させた。
Example 1
20 mmol (mmol) of 4,4′-methylenediphenyl-diisocyanate was dissolved in 70 mL of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) at room temperature (solution A). And this solution A is dripped at the solution B in which 10 mmol 4,4'- diaminodiphenylmethane and 10 mmol 2,5- diaminopyridine are melt | dissolved in 70 mL N methyl-2-pyrrolidone (NMP), and it is normal temperature. After stirring for 4 hours, the mixture was further reacted at 80 ° C. for 18 hours.

反応後、反応液をメタノール2000mLに混合し、生成した沈殿をろ過した。得られた沈殿(マトリックスポリマー(芳香族ポリウレア樹脂))をメタノールで3回洗浄し、60℃にて真空乾燥した。収率66%で得られたマトリックスポリマーはあずき色を呈していたが、これを10質量%になるようにNMPに再溶解させると、深赤色の粘糊状の液体を与えた。尚、別途ゲルパーミネーションクロマトグラフィーで分子量を測定したところ、分子量はスチレン換算で29万であった。
マトリックスポリマーの溶液をガラス上にキャスト成膜し、厚さ60μmの深赤色の高分子膜を得た。この膜を濃度85%のリン酸に漬けたところ、膜自重の1.95倍まで膨潤した。このようにして、実施例1の高分子電解質を製造した。
After the reaction, the reaction solution was mixed with 2000 mL of methanol, and the generated precipitate was filtered. The obtained precipitate (matrix polymer (aromatic polyurea resin)) was washed three times with methanol and vacuum-dried at 60 ° C. The matrix polymer obtained in a yield of 66% had a maroon color, but when redissolved in NMP to a concentration of 10% by mass, a deep red viscous liquid was obtained. In addition, when the molecular weight was separately measured by gel permeation chromatography, the molecular weight was 290,000 in terms of styrene.
A matrix polymer solution was cast on glass to form a deep red polymer film having a thickness of 60 μm. When this membrane was immersed in phosphoric acid having a concentration of 85%, it swelled to 1.95 times its own weight. In this way, the polymer electrolyte of Example 1 was produced.

(実施例2)
実施例1で得られたマトリックスポリマーをジクロロエタンに分散させ、3当量のオキザリルジクロライドを導入し、60℃にて11時間還流した(ポリウレアからポリパラバン酸への転化反応)。マトリックスポリマーは分散状態にあることから、ほぼ収率100%で分子内に複素環を有するポリウレア含有ポリパラバン酸樹脂を得た。得られたポリウレア含有ポリパラバン酸樹脂を10質量%になるようにNMPに溶解し、ガラス上にキャスト成膜した。得られた膜の厚さは55μmでほぼ黒色に近い深赤色の高分子膜を得た。この膜を濃度85%のリン酸に漬けたところ、膜自重の1.85倍まで膨潤した。このようにして、実施例2の高分子電解質を製造した。
尚、上記のポリウレア含有ポリパラバン酸樹脂について、プロトン核磁気共鳴スペクトル(400MHz,DMSO−d6)を確認したところ、8〜9ppmにピーク強度比としては小さいものの、ウレア結合と思われるピークが確認できた。よって、上記のポリウレア含有ポリパラバン酸樹脂には、若干量のポリウレア樹脂が残存しているものと考えられる。
(Example 2)
The matrix polymer obtained in Example 1 was dispersed in dichloroethane, 3 equivalents of oxalyl dichloride was introduced, and the mixture was refluxed at 60 ° C. for 11 hours (conversion reaction from polyurea to polyparabanic acid). Since the matrix polymer was in a dispersed state, a polyurea-containing polyparabanic acid resin having a heterocyclic ring in the molecule was obtained with a yield of almost 100%. The obtained polyurea-containing polyparabanic acid resin was dissolved in NMP so as to be 10% by mass, and cast into a film on glass. The thickness of the obtained film was 55 μm, and a deep red polymer film almost black was obtained. When this membrane was immersed in phosphoric acid having a concentration of 85%, it swelled to 1.85 times its own weight. In this way, the polymer electrolyte of Example 2 was produced.
In addition, when the proton nuclear magnetic resonance spectrum (400 MHz, DMSO-d6) was confirmed for the polyurea-containing polyparabanic acid resin described above, a peak considered to be a urea bond was confirmed although the peak intensity ratio was small at 8 to 9 ppm. . Therefore, it is considered that some amount of polyurea resin remains in the polyurea-containing polyparabanic acid resin.

(実施例3)
実施例2のポリウレア含有ポリパラバン酸樹脂について、プロトン核磁気共鳴スペクトル(NMR)によってウレア結合と思われるピークが確認できたため、実施例2のポリウレア含有ポリパラバン酸樹脂が5重量%となるようにNMPに溶解し、これに、NMRの積分比から見積もったウレアの存在比率に対して当量(ポリパラバン酸1ユニットに対して0.05当量程度)の4,4’−メチレンジフェニルジイソシアネートを加え、アルゴンガス雰囲気下で攪拌を行い、均一に溶解させた後シャーレに流し込み、80℃のホッテプレートの上で溶媒を除去しながら、架橋反応を行なった。得られた膜の厚みは90μmであり、膜の色は実施例2の色と殆ど同色であった。この膜を濃度85%のリン酸に漬けたところ、膜自重の1.65倍まで膨潤した。このようにして、実施例3の高分子電解質を製造した。
(Example 3)
About the polyurea containing polyparabanic acid resin of Example 2, since the peak considered to be urea coupling | bonding was confirmed by the proton nuclear magnetic resonance spectrum (NMR), it was made into NMP so that the polyurea containing polyparabanic acid resin of Example 2 might be 5 weight%. Dissolve, and add 4,4'-methylenediphenyl diisocyanate equivalent to the urea ratio estimated from the NMR integration ratio (about 0.05 equivalent to 1 unit of polyparabanic acid) in an argon gas atmosphere. The mixture was stirred under stirring to be uniformly dissolved, poured into a petri dish, and subjected to a crosslinking reaction while removing the solvent on a hot plate at 80 ° C. The thickness of the obtained film was 90 μm, and the color of the film was almost the same as that of Example 2. When this membrane was dipped in 85% phosphoric acid, it swelled to 1.65 times its own weight. In this way, the polymer electrolyte of Example 3 was produced.

(実施例4)
実施例2において調製されたマトリックスポリマー0.8gと、別途合成した4,4’−メチレンジフェニルジイソシアネートを原料とする分子量約50万のポリパラバン酸樹脂0.2gをNMPに溶解させたのち、ガラス板上にキャスト製膜した(ポリマーアロイの調製)。得られた膜の厚みは70μmであり、膜の色は実施例2の色と殆ど同色であった。この膜を濃度85%のリン酸に漬けたところ、膜自重の1.70倍まで膨潤した。このようにして、実施例4の高分子電解質を製造した。
Example 4
After 0.8 g of the matrix polymer prepared in Example 2 and 0.2 g of a polyparabanic acid resin having a molecular weight of about 500,000 using 4,4′-methylenediphenyl diisocyanate synthesized separately are dissolved in NMP, a glass plate is used. Cast film was formed on top (preparation of polymer alloy). The thickness of the obtained film was 70 μm, and the color of the film was almost the same as that of Example 2. When this membrane was immersed in phosphoric acid having a concentration of 85%, it swelled to 1.70 times its own weight. In this way, the polymer electrolyte of Example 4 was produced.

(比較例1)
文献(T.C.Patton,Polym.Preprints,12(1971)162−168)を参考にして、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートをシアン化水素によって環化させた後、濃塩酸によって加水分解して得られる塩基性分子構造を有しないポリパラバン酸樹脂を合成した。得られた樹脂をNMPに溶解して10質量%の溶液に調製した。この溶液を用いてキャスト成膜することにより、薄い赤色がかった透明な膜を得た。膜の厚みは60μmであり、この膜を濃度85%のリン酸に漬けたところ、膜自重の1.24倍まで膨潤した。このようにして、比較例1の高分子電解質を製造した。
(Comparative Example 1)
Basic molecular structure obtained by cyclization of 4,4'-diphenylmethane diisocyanate with hydrogen cyanide and hydrolysis with concentrated hydrochloric acid with reference to the literature (TCPatton, Polym. Preprints, 12 (1971) 162-168) A polyparabanic acid resin without synthesize was synthesized. The obtained resin was dissolved in NMP to prepare a 10% by mass solution. A cast film was formed using this solution to obtain a transparent film with a light reddish color. The thickness of the membrane was 60 μm, and when this membrane was immersed in phosphoric acid having a concentration of 85%, it swelled to 1.24 times its own weight. Thus, the polymer electrolyte of Comparative Example 1 was produced.

(比較例2)
常温にて20mmolの4,4’−メチレンジフェニル−ジイソシアネートを70mLのNMPに溶解して溶液Cとし、この溶液Cを、20mmolの4,4−ジアミノジフェニルメタンが70mLのNMPに溶解されてなる溶液Dに滴下させ、常温で4時間攪拌後、さらに80℃にて18時間反応させた。
(Comparative Example 2)
At room temperature, 20 mmol of 4,4′-methylenediphenyl-diisocyanate is dissolved in 70 mL of NMP to obtain a solution C, and this solution C is prepared by dissolving 20 mmol of 4,4-diaminodiphenylmethane in 70 mL of NMP. And stirred at room temperature for 4 hours, and further reacted at 80 ° C. for 18 hours.

反応後、反応液をメタノール2000mLに混合し、生成した沈殿をろ過した。得られた沈殿(マトリックスポリマー(芳香族ポリウレア樹脂))をメタノールで3回洗浄し、60℃にて真空乾燥した。得られた芳香族ポリウレア樹脂(白色粉末)をNMPに溶解して10質量%の溶液に調製した。この溶液を用いてキャスト成膜を行い、ほぼ透明な膜を得た。膜の厚みは60μmであり、この膜を濃度85%のリン酸に漬けたところ、膜自重の1.02倍まで膨潤した。このようにして、比較例2の高分子電解質を製造した。   After the reaction, the reaction solution was mixed with 2000 mL of methanol, and the generated precipitate was filtered. The obtained precipitate (matrix polymer (aromatic polyurea resin)) was washed three times with methanol and vacuum-dried at 60 ° C. The obtained aromatic polyurea resin (white powder) was dissolved in NMP to prepare a 10% by mass solution. A cast film was formed using this solution to obtain a substantially transparent film. The thickness of the film was 60 μm, and when this film was immersed in phosphoric acid having a concentration of 85%, it swelled to 1.02 times its own weight. Thus, the polymer electrolyte of Comparative Example 2 was produced.

(評価方法)
実施例1において調製したマトリックスポリマー(芳香族ポリウレア樹脂)と、実施例2において調製したマトリックスポリマー(ポリウレア含有ポリパラバン酸樹脂)とについて、赤外吸収スペクトルを測定した。結果を図2に示す。
(Evaluation methods)
Infrared absorption spectra of the matrix polymer (aromatic polyurea resin) prepared in Example 1 and the matrix polymer (polyurea-containing polyparabanic acid resin) prepared in Example 2 were measured. The results are shown in FIG.

また、実施例1〜4及び比較例1〜2のイオン伝導度を調べるため、各高分子電解質の膜表面のリン酸を拭き取り、直径13mmの円形に切り取り、これを直径13mmの白金板ではさんで伝導度測定用のセルを作製した。150℃における交流抵抗をインピーダンスアナライザーで測定しオームの法則よりイオン伝導度を計算した。また、実施例1〜4及び比較例1〜2の高分子電解質が発電特性を有するか調べるために、市販の白金触媒付き電極(E--TEK社製)を用いて単セルを作製し、正極に空気を、負極側に燃料ガスである水素を100mL/minの流量で導入し、セルを150℃に加熱しながら、開回路電圧および電流密度0.2Acm−2における定電流負荷時の閉回路電圧を調べた。以上の電気化学的特性を表1にまとめた。 Moreover, in order to investigate the ionic conductivity of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2, the phosphoric acid on the membrane surface of each polymer electrolyte was wiped off, cut into a circle with a diameter of 13 mm, and this was sandwiched with a platinum plate with a diameter of 13 mm A cell for conductivity measurement was prepared. The AC resistance at 150 ° C. was measured with an impedance analyzer, and the ionic conductivity was calculated from Ohm's law. Moreover, in order to investigate whether the polymer electrolyte of Examples 1-4 and Comparative Examples 1-2 has a power generation characteristic, a single cell was produced using the electrode with a commercially available platinum catalyst (made by E--TEK), the air cathode, hydrogen as a fuel gas was introduced at a flow rate of 100 mL / min to the anode side, while heating the cell to 0.99 ° C., closed at constant current load in open circuit voltage and current density 0.2Acm -2 The circuit voltage was examined. The above electrochemical properties are summarized in Table 1.

Figure 2007165047
Figure 2007165047

図2に示すように、実施例1のマトリックスポリマーにおいては、3300cm−1付近にウレア結合におけるNH結合によるものと見られるブロードな吸収ピークが確認される。一方、実施例2のマトリックスポリマーにおいては、実施例1において確認されたNH結合による吸収ピークがほぼ消失し、代わりに1740cm−1付近にカルボニル結合によるものと見られるシャープな吸収ピークが確認される。更に、前述したNMRの結果と合わせると、実施例2のマトリックスポリマーは、ウレア結合が一部残存したポリパラバン酸樹脂であるものと考えられる。 As shown in FIG. 2, in the matrix polymer of Example 1, a broad absorption peak that appears to be due to NH bonding in the urea bond is confirmed in the vicinity of 3300 cm −1 . On the other hand, in the matrix polymer of Example 2, the absorption peak due to the NH bond confirmed in Example 1 almost disappears, and instead, a sharp absorption peak that is considered to be due to the carbonyl bond is confirmed near 1740 cm −1. . Furthermore, when combined with the NMR results described above, the matrix polymer of Example 2 is considered to be a polyparabanic acid resin in which some urea bonds remain.

また、表1に示すように、実施例1〜4の高分子電解質膜については、イオン伝導度及び発電試験結果のいずれもが良好な値を示していることがわかる。一方、比較例1及び2については、マトリックスポリマー中に塩基性分子構造が導入されていないため、リン酸のドープ量が実施例1〜4と比べて大幅に低下し、これにより、イオン伝導度及び発電試験結果のいずれもが低下したものと考えられる。   Moreover, as shown in Table 1, about the polymer electrolyte membrane of Examples 1-4, it turns out that both an ionic conductivity and a power generation test result have shown the favorable value. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, since the basic molecular structure was not introduced into the matrix polymer, the doping amount of phosphoric acid was greatly reduced as compared with Examples 1 to 4, and thereby the ionic conductivity was reduced. It is considered that both the power generation test results and the power generation test results have decreased.

図1は、本発明の実施形態の燃料電池の単セルの構造を示す断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a single cell of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図2は、実施例1及び実施例2におけるマトリックスポリマーの赤外スペクトルである。FIG. 2 is an infrared spectrum of the matrix polymer in Example 1 and Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

1…単セル(燃料電池)、2…酸素極(電極)、3…燃料極(電極)、4…電解質膜(プロトン伝導性固体高分子電解質)

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Single cell (fuel cell), 2 ... Oxygen electrode (electrode), 3 ... Fuel electrode (electrode), 4 ... Electrolyte membrane (proton conductive solid polymer electrolyte)

Claims (9)

酸と、該酸を含浸するマトリックスポリマーとが少なくとも混合されてなり、前記マトリックスポリマーは、分子中に塩基性分子構造を具備していることを特徴するプロトン伝導性固体高分子電解質。   A proton-conducting solid polymer electrolyte, wherein an acid and a matrix polymer impregnated with the acid are mixed at least, and the matrix polymer has a basic molecular structure in the molecule. 前記塩基性分子構造がピリジレン基であることを特徴とする請求項1に記載のプロトン伝導性固体高分子電解質。   The proton conductive solid polymer electrolyte according to claim 1, wherein the basic molecular structure is a pyridylene group. 前記マトリックスポリマーが、分子中にウレア結合を含む下記一般式(1)に示す分子構造を少なくとも1モル%以上100モル%以下の範囲で具備していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプロトン伝導性固体高分子電解質。
ただし、一般式(1)において、Rは−C−CH−C−基または−C−O−C−基であり(−C−はフェニレン基)、Rはピリジレン基である。
Figure 2007165047
2. The matrix polymer according to claim 1, wherein the matrix polymer has a molecular structure represented by the following general formula (1) containing a urea bond in the molecule in a range of at least 1 mol% to 100 mol%. 3. The proton conductive solid polymer electrolyte according to 2.
However, in the general formula (1), R 1 represents a —C 6 H 4 —CH 2 —C 6 H 4 — group or a —C 6 H 4 —O—C 6 H 4 — group (—C 6 H 4 -Is a phenylene group) and R 2 is a pyridylene group.
Figure 2007165047
前記マトリックスポリマーが、分子中にパラバン酸構造を含む下記一般式(2)に示す分子構造を少なくとも1モル%以上100モル%以下の範囲で具備していることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のプロトン伝導性固体高分子電解質。
ただし、一般式(2)において、Rは−C−CH−C−基または−C−O−C−基であり(−C−はフェニレン基)、Rはピリジレン基である。
Figure 2007165047
The matrix polymer has a molecular structure represented by the following general formula (2) containing a paravanic acid structure in the molecule in a range of at least 1 mol% to 100 mol%. Item 4. The proton conductive solid polymer electrolyte according to any one of Items 3 to 4.
However, in the general formula (2), R 3 is -C 6 H 4 -CH 2 -C 6 H 4 - group or a -C 6 H 4 -O-C 6 H 4 - is a radical (-C 6 H 4 -Is a phenylene group) and R 4 is a pyridylene group.
Figure 2007165047
前記パラバン酸構造が、前記一般式(1)におけるウレア結合を転化させることにより形成されたものであることを特徴とする請求項4に記載のプロトン伝導性固体高分子電解質。   5. The proton conductive solid polymer electrolyte according to claim 4, wherein the paravanic acid structure is formed by converting a urea bond in the general formula (1). 前記マトリックスポリマーが架橋されていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のプロトン伝導性固体高分子電解質。   The proton conductive solid polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 5, wherein the matrix polymer is crosslinked. 前記マトリックスポリマーに、ポリパラバン酸樹脂が含まれていることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載のプロトン伝導性固体高分子電解質。   The proton conductive solid polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 6, wherein the matrix polymer contains a polyparabanic acid resin. 酸素極、燃料極および両電極に挟持された高分子電解質膜を備え、酸化剤流路を形成した酸化剤配流板を酸素極側に設け、燃料流路を形成した燃料配流板を燃料極側に設けたものを単位セルとする燃料電池において、前記高分子電解質膜が請求項1乃至請求項7のいずれかに記載のプロトン伝導性固体高分子電解質であることを特徴とする燃料電池。   Provided with an oxygen electrode, a fuel electrode, and a polymer electrolyte membrane sandwiched between both electrodes, an oxidant distribution plate having an oxidant flow path formed on the oxygen electrode side, and a fuel flow distribution plate having a fuel flow path formed on the fuel electrode side 8. A fuel cell having a unit cell as a unit cell, wherein the polymer electrolyte membrane is the proton conductive solid polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 7. 前記酸素極または前記燃料極のいずれか一方または両方に、請求項1乃至請求項7のいずれかに記載のプロトン伝導性固体高分子電解質が含まれていることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池。

The proton conductive solid polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 7, wherein either one or both of the oxygen electrode and the fuel electrode includes the proton conductive solid polymer electrolyte. Fuel cell.

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